Quandu a lege di Hooke ùn hè più abbastanza...

Sicondu a lege di Hooke cunnisciuta da i libri di scola, l'allungamentu di un corpu deve esse direttamente proporzionale à u stress applicatu. In ogni casu, assai materiali chì sò di grande impurtanza in a tecnulugia muderna è a vita di ogni ghjornu sò solu apprussimatamente rispettanu sta lege o cumportanu cumplitamenti sfarente. I fisici è l'ingegneri dicenu chì tali materiali anu proprietà reologicu. U studiu di sti pruprietà serà u sughjettu di qualchi esperimenti interessanti.

A reologia hè u studiu di e proprietà di i materiali chì u so cumpurtamentu va oltre a teoria di l'elasticità basatu annantu à a lege di Hooke. Stu cumpurtamentu hè assuciatu cù parechji fenomeni interessanti. Questi includenu, in particulare: u ritardu in u ritornu di u materiale à u so statu originale dopu una caduta di tensione, vale à dì, histeresi elastica; aumentu di l'allungamentu di u corpu à u stress constantu, altrimenti chjamatu flussu; o un aumentu multiplici di a resistenza à a deformazione è a durezza di un corpu inizialmente plasticu, finu à l'apparizione di proprietà caratteristiche di materiali fragili.

regnu pigro

Una finita di un regnu plasticu 30 cm o più longu hè fissatu in i mandibuli di vise per chì u regnu hè verticale (Fig. 1). Rejetemu l'estremità superiore di u regnu da a verticale da solu uni pochi millimetri è liberate. Innota chì a parte libera di u regnu oscillate parechje volte intornu à a pusizione di equilibriu verticale è torna à u so statu originale (Fig. 1a). L'oscillazioni osservate sò armoniche, postu chì à picculi deviazioni a magnitudine di a forza elastica chì agisce cum'è forza guida hè direttamente proporzionale à a deviazione di l'estremità di u regnu. Stu cumpurtamentu di u regnu hè discrittu da a teoria di l'elasticità. 

Risu. 1. Studiu di l'isteresi elastica cù una regula

1 - ambulanza,

2 - vise jaws, A - deviazione di a fine di a regula da a verticale

In a seconda parte di l'esperimentu, deviamu l'estremità superiore di u regnu da uni pochi centimetri, liberate, è observe u so cumpurtamentu (Fig. 1b). Avà sta fine torna lentamente à a pusizione di equilibriu. Questu hè duvuta à l'eccessu di u limitu elasticu di u materiale di regula. Stu effettu hè chjamatu isteresi elastica. Hè cunsiste in u ritornu lentu di u corpu deformatu à u so statu originale. Se ripetemu stu ultimu esperimentu inclinando l'estremità superiore di u regnu ancu di più, truveremu chì u so ritornu serà ancu più lento è pò piglià à parechji minuti. Inoltre, u regnu ùn tornerà micca esattamente à a pusizione verticale è ferma in permanenza curvatu. L'effetti descritti in a seconda parte di l'esperimentu sò solu unu sughjetti di ricerca di reologia.

L'acellu o l'aragnu di ritornu

Per a prussima sperienza, useremu un ghjoculu economicu è faciule d'acquistà (qualchì volta ancu dispunibule in kiosks). Hè custituitu da una figurina flat in a forma di un uccello o un altru animali, cum'è una aragna, cunnessu da una longa strap cù un manicu in forma di anellu (Fig. 2a). Tuttu u ghjoculu hè fattu di un materiale resistente, cum'è gomma, chì hè ligeramente appiccicosa à u toccu. A cinta pò esse allungata assai facilmente, aumentendu a so durata parechje volte senza strappallu. Facemu un esperimentu vicinu à una superficia liscia, cum'è u vetru di specchiu o un muru di mobili. Cù i dita di una manu, tene u manicu è fate un onda, sbattendu cusì u ghjoculu nantu à una superficia liscia. Avete nutatu chì a figurina si ferma à a superficia è a cinta ferma tesa. Cuntinuemu à mantene u manicu cù i nostri ditte per parechje decine di seconde o più.

Risu. 2. Un esempiu vivu di histeresi elastica, mostrata cù una croce di ritornu

1 - figurine spider, 2 - elasticu,

3 - manicu, 4 - palma, 5 - superficia

Dopu qualchì tempu, avemu nutatu chì a figurina sguassate abruptamente da a superficia è, attrattu da una cinta termorettibile, torna rapidamente à a nostra manu. In questu casu, cum'è in l'esperimentu precedente, ci hè ancu una lenta decadenza di tensione, vale à dì, histeresi elastica. E forze elastiche di a cinta allungata superanu e forze di aderenza di u mudellu à a superficia, chì si debilitanu cù u tempu. In u risultatu, a figura torna à a manu. U materiale di u ghjoculu utilizatu in questu esperimentu hè chjamatu da i reologi viscoelasticu. Stu nomu hè ghjustificatu da u fattu chì esibite dui proprietà peddi - quandu si appiccica à una superficia liscia, è e proprietà elastiche - per via di quale si rompe da sta superficia è torna à u so statu originale.

omu discendente

Photo 1. Una figurina chì descende un muru verticale hè ancu un grande esempiu di histeresi elastica.

Questu esperimentu hà ancu aduprà un ghjoculu prontamente dispunibule fattu di materiale viscoelasticu (foto 1). Hè fattu in a forma di una figura di un omu o di una aragna. Lancemu stu ghjoculu cù i membri dispiegati è vultati nantu à una superficia verticale plana, preferibile nantu à un vetru, specchiu o muru di mobili. Un ughjettu ghjittatu si appiccica à sta superficia. Dopu qualchì tempu, a durazione di quale dipende, frà altri cose, da a rugosità di a superficia è a rapidità di scaccià, a cima di u ghjoculu si sparghje. Questu succede per via di ciò chì hè statu discutitu prima. isteresi elastica è l'azzione di u pesu di a figura, chì rimpiazza a forza elastica di a cintura, chì era prisenti in l'esperimentu precedente.

Sutta l'influenza di u pesu, a parte distaccata di u ghjoculu si piega è si rompe più finu à chì a parte tocca torna à a superficia verticale. Dopu stu toccu, u prossimu gluing di a figura à a superficia principia. In u risultatu, a figura serà pegata di novu, ma in una pusizioni di a testa. I prucessi descritti quì sottu sò ripetuti, cù e figure chì strappanu alternativamente i gammi è poi a testa. L'effettu hè chì a figura scende nantu à una superficia verticale, flips spettaculari.

plastilina fluida

Risu. 3. Test di flussu di plastilina

a) situazione iniziale, b) situazione finale;

1 - palma, 2 - parte suprana di plastilina,

3 - indicatore, 4 - constriction, 5 - pezzu strappatu di plastilina

In questu è parechji esperimenti successivi, avemu aduprà a plastilina dispunibule in i magazzini di ghjoculi, cunnisciuta cum'è "argilla magica" o "tricolin". Amassi un pezzu di plastilina in una forma simile à una dumbbell, circa 4 cm longu è cù un diametru di parti più grossi in 1-2 cm è un diametru ristrettu di circa 5 mm (Fig. 3a). Pigliamu a moldura cù i nostri ditte da l'estremità superiore di a parte più grossa è a mantenenu immobile o chjappà verticalmente vicinu à u marcatu installatu chì indica u locu di l'estremità più bassa di a parte più grossa.

Osservendu a pusizione di l'estremità inferiore di a plastilina, avemu nutatu chì si move lentamente. In questu casu, a parti media di a plastilina hè cumpressa. Stu prucessu hè chjamatu u flussu o creep di u materiale è cunsiste à aumentà u so allungamentu sottu à l'azzione di u stress constante. In u nostru casu, stu stress hè causatu da u pesu di a parti inferjuri di u dumbbell plasticine (Fig. 3b). Da un puntu di vista microscòpicu attuale questu hè u risultatu di un cambiamentu in a struttura di u materiale sottumessu à carichi per un tempu abbastanza longu. À un puntu, a forza di a parti ristretta hè cusì chjuca chì si rompe sottu à u pesu di a parti inferjuri di a plastilina sola. U flussu di u flussu dipende da parechji fatturi, cumpresu u tipu di materiale, a quantità è u metudu di applicà u stress.

A plastilina chì usemu hè estremamente sensibile à u flussu, è pudemu vede à l'occhiu nudu in pocu decine di seconde. Hè vale a pena aghjunghje chì l'argilla magica hè stata inventata per accidenti in i Stati Uniti, durante a Sicunna Guerra Munniali, quandu i tentativi sò stati fatti per pruduce un materiale sinteticu adattatu per a produzzione di pneumatici per i veiculi militari. In u risultatu di a polimerizazione incompleta, hè stata ottenuta un materiale in quale un certu nùmeru di molécule ùn sò micca ligati, è i ligami trà altre molécule puderanu facilmente cambià a so pusizioni sottu à l'influenza di fatturi esterni. Questi ligami "bouncing" cuntribuiscenu à e maravigliose proprietà di l'argilla bouncing.

palla vaga

Risu. 4. Set per pruvà a plastilina per a diffusione è a rilassazione di u stress:

a) situazione iniziale, b) situazione finale; 1 - bola d'acciaio,

2 - vasu trasparente, 3 - plastilina, 4 - basa

Avà stringhje a plastilina magica in un picculu vasu trasparente, apertu à a cima, assicurendu chì ùn ci hè micca bolle d'aria in questu (Fig. 4a). L'altezza è u diametru di u bastimentu deve esse parechji centimetri. Pone una bola d'acciaio di circa 1,5 cm di diametru in u centru di a superficia superiura di a plastilina.Lasciamu u vasu cù a bola sola. Ogni pochi ore, avemu osservatu a pusizione di u ballò. Innota chì si va più in fondu in a plastilina, chì, à u turnu, entra in u spaziu sopra a superficia di u ballu.

Dopu un tempu abbastanza longu, chì dipende da: u pesu di u ballu, u tipu di plastilina utilizata, a dimensione di a palla è a padedda, a temperatura di l'ambienti, avemu nutatu chì a bola righjunghji u fondu di a padedda. U spaziu sopra à u ballu serà cumpletu cù plastilina (Fig. 4b). Stu esperimentu mostra chì u materiale scorri è sollievu di stress.

Plastilina chì salta

Formate una bola di massa magica è lanciate rapidamente nantu à una superficia dura cum'è u pavimentu o u muru. Avemu nutatu cù sorpresa chì a plastilina rimbalza da queste superfici cum'è una bola di gomma bouncy. L'argilla magica hè un corpu chì pò esibisce proprietà plastiche è elastiche. Dipende da quantu rapidamente a carica agirà nantu à questu.

Quandu i stressi sò appiicati lentamente, cum'è in u casu di impastu, mostra proprietà plastiche. Per d 'altra banda, cù l'applicazione rapida di a forza, chì si trova quandu si scontra cù un pavimentu o un muru, a plastilina mostra proprietà elastiche. L'argilla magica pò esse chjamata brevemente un corpu plasticu-elasticu.

plastilina tensile

Photo 2. L'effettu di l'allungamentu lento di argilla magica (a durata di a fibra allungata hè di circa 60 cm)

Questa volta, formate un cilindru magicu di plastilina di circa 1 cm di diametru è uni pochi centimetri di longu. Pigliate e duie estremità cù i dite di a manu diritta è sinistra è mette u roller horizontale. Allora stendemu lentamente i nostri braccia à i lati in una linea retta, per quessa chì u cilindru si stende in a direzzione assiale. Sentemu chì a plastilina ùn offre quasi nisuna resistenza, è avemu nutatu chì si ristretta in u mezu.

A durata di u cilindru di plastilina pò esse aumentata à parechji decine di centimetri, finu à chì un filu magre hè furmatu in a so parte cintrali, chì si romperà cù u tempu (foto 2). Sta spirienza mostra chì, appiicando lentamente stress à un corpu plasticu-elasticu, unu pò causà una deformazione assai grande senza distrughjellu.

plastilina dura

Preparamu u cilindru magicu di plastilina in u stessu modu cum'è in l'esperimentu precedente è imbottitemu i nostri ditte intornu à e so estremità in u listessu modu. Dopu avè cuncentratu a nostra attenzione, avemu spargugliatu i nostri braccia à i lati u più prestu pussibule, vulendu stenderà bruscamente u cilindru. Ci hè chì in questu casu, sentimu una resistenza assai alta di plastilina, è u cilindru, sorprendentemente, ùn si allunganu micca, ma si rompe in a mità di a so longa, cum'è s'ellu hè tagliatu cù un cuteddu (foto 3). Stu esperimentu mostra ancu chì a natura di a deformazione di un corpu plasticu-elasticu dipende da a tarifa di l'applicazione di stress.

A plastilina hè fragile cum'è u vetru

Photo 3. U risultatu di l'allungamentu rapidu di plastilina magica - pudete vede parechje volte menu allungamentu è un tagliu affilatu, s'assumiglia à una crepa in un materiale fragile.

Stu esperimentu mostra ancu più chjaramente cumu a freccia di stress influenza e proprietà di un corpu plasticu-elasticu. Formate una bola cù un diametru di circa 1,5 cm da argilla magica è mette nantu à una basa solida è massiva, cum'è una piastra d'acciaio pisanti, incudine, o pavimentu di cimentu. Lentamente chjappà a bola cù un martellu chì pesa almenu 0,5 kg (Fig. 5a). Ci hè chì in questa situazione, u ballu si cumporta cum'è un corpu di plastica è appiattite dopu chì un martellu cascà nantu à questu (Fig. 5b).

Formate a plastilina appiattita in una bola di novu è mette nantu à a piastra cum'è prima. In novu, chjappà a bola cù un martellu, ma sta volta pruvemu di fà u più prestu pussibule (Fig. 5c). Ci hè chì a bola di plastilina in questu casu si cumporta cum'è s'ellu era fatta di un materiale fragile, cum'è u vetru o a porcellana, è nantu à l'impattu si fracassa in pezzi in tutte e direzzione (Fig. 5d).

Macchina termica nantu à bande di gomma farmaceutica

Stress in materiali rheologicu pò esse ridutta da elevà a so temperatura. Avemu aduprà stu effettu in un mutore di calore cù un principiu sorprendente di funziunamentu. Per assemblallu, avete bisognu di: un tappu à viti di un vasu di stagno, una decina di bande di gomma corta, una grande agulla, un pezzu rettangulare di foglia fina, è una lampa cù una lampadina assai calda. U disignu di u mutore hè indicatu in a fig. 6. Per assemblellu, cut out the middle part from the cover per chì un anellu hè ottenutu.

Risu. 5. Metudu per dimustrà a plastilina è e proprietà fragili di a plastilina

a) colpu lentu di a palla b) colpu lentu

c) un colpu rapidu nantu à a bola, d) l'effettu di un colpu rapidu;

1 - bola di plastilina, 2 - piastra solida è massiva, 3 - martellu,

v - vitezza di u martellu

In u centru di questu anellu mettimu una agulla, chì hè l'assi, è mette elàstici nantu à questu in modu chì in u mità di a so longa si fermanu contru à l'anellu è sò forti stesi. I bandi elastichi deve esse posti simmetricamente nantu à l'anellu, cusì, una rota cù raggi formati da bande elastiche hè ottenuta. Piegate un pezzu di foglia in una forma di crampon cù i braccia allungati, chì vi permettenu di mette u cercolu fattu prima trà elli è copre a mità di a so superficia. Da un latu di u cantilever, à i dui bordi verticali, facemu un cutout chì ci permette di mette l'assi di a rota in questu.

Pone l'assi di a rota in u cutout di u supportu. Rotemu a rota cù i nostri ditte è verificate s'ellu hè equilibratu, i.e. si ferma in ogni pusizioni. S'ellu ùn hè micca u casu, equilibrà a rota cambiendu ligeramente u locu induve e bande di gomma scontranu l'anellu. Pone u bracket nantu à a tavula è illuminate a parte di u circhiu chì protruding da i so archi cù una lampada assai calda. Ci hè chì dopu à pocu tempu, a rota principia à girà.

U mutivu di stu muvimentu hè u cambiamentu constantu in a pusizione di u centru di massa di a rota in u risultatu di un effettu chjamatu rheologists. rilassamentu di u stress termale.

Questa rilassazione hè basatu annantu à u fattu chì un materiale elasticu assai stressatu si cuntratta quandu hè riscaldatu. In u nostru mutore, stu materiale hè bande di gomma di u latu di a rota chì spuntanu da u bracket bracket è riscaldate da una lampadina. In u risultatu, u centru di massa di a rota hè spustatu à u latu coperto da i bracci di supportu. In u risultatu di a rotazione di a rota, i chjassi di gomma calienta falanu trà e spalle di u supportu è rinfriscà, postu chì quì sò oculati da u bulbe. I gomme rinfriscati si allunganu di novu. A sequenza di i prucessi descritti assicura a rotazione cuntinua di a rota.

Micca solu esperimenti spettaculari

Risu. 6. U disignu di un mutore di calore fattu di bande di gomma farmaceutica

a) vista laterale

b) sezione da un pianu assiale; 1 - anellu, 2 - agulla, 3 - gomma farmaceutica,

4 - bracket, 5 - cutout in the bracket, 6 - bulb

Avà reologia hè un campu di sviluppu rapidu di interessu sia per i fisici sia per i specialisti in u campu di e scienze tecniche. I fenomeni reologichi in certi situazioni ponu avè un effettu avversu nantu à l'ambienti in u quali si sò accaduti è deve esse cunsideratu, per esempiu, in u disignu di grandi strutture d'acciaio chì si deformanu cù u tempu. Risultate da a diffusione di u materiale sottu à l'azzione di carichi attori è u so propiu pesu.

Misurazioni precise di u gruixu di i fogli di ramu chì coprenu i tetti ripidi è i vitrali macchiati in e chjese storichi anu dimustratu chì questi elementi sò più grossi in u fondu chì in a cima. Questu hè u risultatu attualetramindui u ramu è u vetru sottu u so propiu pesu per parechji centu anni. I fenomeni reologichi sò ancu usati in parechje tecnulugia di fabricazione muderni è ecunomichi. Un esempiu hè u riciclamentu di plastica. A maiò parte di i prudutti fatti da questi materiali sò attualmente fabbricati per estrusione, disegnu è soffiu. Questu hè fattu dopu avè riscaldatu u materiale è applicà a pressione à questu à una tarifa scelta appropritamente. Cusì, frà altri cose, foils, bastone, pipi, fibre, è ancu i ghjoculi è e parti di machini di forme cumplesse. Vantaghji assai impurtanti di sti metudi sò low cost è micca rifiuti.